稀土钛氧化物的自旋冰和自旋液体基态、磁转变及热输运性质

Rare-earth titanates R2Ti2O7 with pyrochlore structure are a typical class of spin frustrated materials, which exhibit various magnetic states such as long-range order, spin ice, and spin liquid. This project plans to study the exotic ground states, magnetic transitions and magnetic excitations of those spin-ice or spin-liquid materials R2Ti2O7 (R = Dy, Ho, Tb, Yb). The main research contents include: (i) studying the nature of ground states and phase diagram of temperature vs magnetic field by using magnetization and specific heat measurements at very low temperatures; (ii) studying the heat transport by magnetic excitations (particularly the magnetic monopoles) or the interactions between magnetic excitations and phonons by using the thermal conductivity measurements at very low temperatures and under high magnetic fields; (iii) studying the ground states and magnetic field induced transitions by using the heat transport experiments; (iv) growing single crystals with rare-earth or non-magnetic Y doping to modify the crystal structures and magnetic interactions, for the purpose of studying the crossover between different magnetic states. Based on these experimental works, we try to reveal the mechanisms how the spin exchange, spin anisotropy, spin dipole interactions, and spin frustration determine the magnetic and heat-transport properties of R2Ti2O7 materials.

具有烧绿石结构的稀土钛氧化物R2Ti2O7（R为稀土元素）是一类典型的自旋阻挫材料，展现出长程磁有序、自旋冰、自旋液体等多种不同的磁性。本项目以具有自旋冰、自旋液体等奇特磁性的一些体系（R = Dy,Ho,Tb,Yb）为研究对象，以这些材料基态磁性质、磁转变及磁激发特性为主要研究内容，拟开展以下工作：利用极低温磁学、比热等测量研究基态磁性质与温度-磁场相图；利用极低温强磁场下的热输运性质，对磁激发（特别是可能产生的磁单极子）热传导或磁激发－声子的相互作用进行深入研究，并由此研究基态磁性及外磁场引起的磁转变现象；进行稀土元素和非磁性Y元素相互掺杂的单晶材料制备，以改变这些材料的晶体结构和磁相互作用，从而研究不同磁性的相互渡越行为。通过以上实验研究，揭示磁交换作用、磁各向异性、磁偶极作用、自旋阻挫等因素对R2Ti2O7材料磁性和热输运性质的决定机制。

具有烧绿石结构的稀土钛氧化物R2Ti2O7（R为稀土元素）是一类典型的自旋阻挫材料，展现出长程磁有序、自旋冰、自旋液体等多种不同的磁性。本项目以这些材料基态磁性质、磁转变及磁激发特性为主要研究内容，利用极低温磁学、比热、热传导等实验手段开展了系统的工作。研究工作按照原计划顺利进行，取得的主要进展包括：（1）具有Heisenberg各向同性的Gd2Ti2O7和XY型各向异性的Er2Ti2O7在低温下进入长程反铁磁有序态，但它们的基态是非传统的，实验结果显示短程磁有序或自旋涨落的存在；在不同方向磁场中的极低温热导率测量结果表明，在这两种材料中，磁激发并不具有可观测到的导热能力，而是通过对声子散射来影响声子热传导行为。（2）Dy2Ti2O7是著名的自旋冰材料，实验发现Dy2Ti2O7的磁转变和缓慢自旋动力学行为对声子的热传导有显著的影响，而磁单极子激发无论是作为热载流子或散射声子的作用都是次要的。（3）Yb2Ti2O7可能是一种量子自旋冰材料，实验发现其磁单极子由于具有较强的色散关系和传播速率，可以作为热载流子有效地传导热量。（4）Tb2Ti2O7是极少数已发现的可能具有三维量子自旋液体基态的自旋阻挫材料之一，发现非磁性Zr4+离子对Ti位的掺杂可以显著压制体系中的自旋涨落，表明晶体结构的微小变化对磁性产生很大的影响。通过这些研究，揭示了R2Ti2O7材料的基态磁性、磁结构转变和磁激发行为，为深入理解这类材料的物理机制提供了必要的实验基础。共发表SCI论文24篇，其中通信作者的论文20篇（包括8篇Phys. Rev. B、1篇Appl. Phys. Lett.和1篇英文综述论文）；共培养9名博士生和4名硕士生，其中4名博士生和3名硕士生已经完成学位论文答辩；在国际学术会议做邀请报告2次、口头报告1次，在国内学术会议做邀请报告6次。